基于离散元法的芯铧式开沟器设计

潘世强，操子夫，杨雨林,赵婉宁

(吉林农业大学 工程技术学院，长春　130118)



基于离散元法的芯铧式开沟器设计

潘世强，操子夫，杨雨林,赵婉宁

(吉林农业大学 工程技术学院，长春130118)

摘要：传统式芯铧式开沟器被广泛地应用于东北垄作地区，但其开沟宽度大、与土壤产生的阻力大限制其使用。为此，对芯铧式开沟器的结构特点进行研究，确定了开沟器宽度d、入土角α、斜面角β、作业速度v、含水率p为其性能的影响因素，用SolidWorks软件建立了一系列不同参数的芯铧式开沟器模型。通过对耕层土壤的物理性质与力学性质的研究，运用EDEM对所设计的一系列芯铧式开沟器进行仿真分析，得到开沟阻力较小的开沟器，其参数为：入土角为50°、斜面角为55°、宽度为50mm。在室内土槽中，进行芯铧式开沟器的性能测试。结果表明：仿真与试验数据具有一定的相关性，且规律基本一致，验证了仿真模型参数选取的正确性。

关键词：芯铧式；开沟器；离散元法

0引言

芯铧式开沟器结构简单、沟底平整、入土性能较好，且对播种前整地要求不高，被广泛地应用于东北垄作地区[1]。目前使用的芯铧式开沟器大多开沟宽度大、保墒效果差、对土壤的侧向推移较大，不适合高速播种。近年来，离散元法被逐渐地应用到农业生产中，多用于仿真具有散粒体特性的物质，如种子、化肥及土壤等[2]。

本文通过对吉林省中部地区土壤物理学参数的测定，建立了相应的土壤颗粒离散元模型。采用均匀设计法，对芯铧式开沟器进行设计;选用3个因素、8个水平作为试验方案，利用三维建模软件建立了相应的开沟器模型，并将该模型导入离散元软件，对开沟器的工作过程进行仿真，得到开沟的效果和开沟器所受的工作阻力；通过对各个影响因素的分析，最终得出了开沟器各参数的最优组合。

为了验证其仿真的准确性和可靠性，利用玻璃土槽进行了开沟器的开沟试验，并采用高速摄像技术记录了开沟器的工作过程，使用二维力传感器及动态应变仪对开沟的工作阻力进行了测定。试验与离散元仿真结果对比表明：两者具有较好的相关性，且规律一致。同时，优化设计得到了一组适合吉林省中部地区土壤特性的新型芯铧式开沟器的设计参数[3]。

1芯铧式开沟器参数的确定

工作时，开沟器芯铧入土，侧板将土挡在两侧。本试验主要通过改变开沟器主要参数(如宽度d、入土角α、斜面角β)，分析开沟器的性能[4]。基于三维建模软件设计的开沟器模型如图1所示。

图1　开沟器模型

本文选取了芯铧式的3个主要因素为设计参数，每个因素选取8个水平，如表1所示。根据均匀设计试验要求，得到16个不同形状的开沟器模型，试验方案如表2所示[5]。

表1　开沟器因素水平表

续表1

表2　开沟器因素设计表

2芯铧式开沟器的离散元仿真分析

2.1　土壤仿真模型的建立

土壤是由气体、液体和固体组成的复杂物质，且土壤中存在着化学键和毛细水，这使得土壤之间存在一定的粘聚力。在建立土壤颗粒模型时，一部分主要参数是依据测定吉林省中部地区土壤物理性质得到的，另一部分参数则是通过对比试验与仿真结果后修正获得的。颗粒接触模型选择了Hertz-Mindlin粘结接触模型，该模型将两个颗粒通过一定尺寸的“粘结键”粘结在一起，这种粘结可以承受一定的法向力和切向力，并当且仅当达到最大法向应力和切向应力时，两颗粒间的粘结就被破坏，这种粘结模型与土壤的实际情况相符合[6-8]。

土壤颗粒是一种非常不规则的物质，本文通过二维影像仪对不同粒径的土壤颗粒进行形状观察。为了更加真实地体现土壤颗粒的形状，将土壤颗粒近似地模拟成单球形、双球形和三球堆叠形，并分层生成土壤模型颗粒，如图2所示。

图2　土壤颗粒离散元模型

2.2　开沟器仿真模拟实验

将不同参数的开沟器模型导入离散元仿真软件，分别进行开沟器工作过程的仿真，得到开沟过程中的土壤运动状态及开沟器的工作阻力，观测土壤扰动情况。由于仿真的开沟器种类较多(见图3)，仅提供两组开沟仿真图(a、c为4号开沟器的模拟状态，b、d为9号开沟器的模拟状态)。仿真实验表明：开沟器的宽度越小，回土越明显；宽度越大，回土不明显，底层土壤基本裸露在外面。

(a)　　　　　　　　　　　　(b)

(c)　　　　　　　　　　 　 (d)

仿真获得的16组开沟器所受阻力如表3所示。应用均匀设计中的直观分析法可以得出：4号开沟器所受阻力较小，回土效果较好，沟底较为平整，为芯铧式开沟器的设计提供了一种新的方法。

表3　开沟器工作阻力

3开沟器土槽试验装置及试验方案

3.1　试验装置

试验装置由微型土槽与测试设备组成，如图4所示。二维力传感器和动态应变仪，可测量工作物件的水平力和垂直力[9-10]；高速摄像机可记录工作部件及土壤颗粒的运动情况。

图4　玻璃土槽试验台

3.2　试验方案

本试验选取的5个因素分别是开沟器的宽度、入土角、斜面角、速度和含水率。由于土壤的含水率较难控制，在试验过程中会发生变化。因此， 本试验设计中含水率的水平数为2，其余因素的水平数为8，选取混合均匀设计方法。因素水平表如表4所示。

表4　因素水平表

4试验结果与分析

根据试验方案，将不同参数的开沟器放置到土槽试验台中进行了试验，并记录了开沟器工作时的工作阻力与土壤及工作部件的运动情况。

4.1　开沟器工作阻力与能耗测定

通过二维力传感器和动态应变仪记录的开沟器工作过程中所受的阻力，如图5所示。由于水平垂直阻力较小对试验影响较小，忽略不计。

在开沟阻力相对稳定的区域选取了5个数，取平均值作为其试验结果。同时，开沟器的能耗也是评定开沟器好坏的重要指标之一。

开沟器的能耗[11-12]为

η=S/D

式中S—开沟面积；

D—开沟宽度。

本文利用自制的沟形测绘器测沟形，采用表格法计算其面积(cm2)，开沟宽度可直接测得，所得实验结果如表5所示。水平阻力和能耗对开沟器作业质量的影响较大，所以本试验采用加权的方法分析试验结果，开沟器水平阻力影响占结果的70%，能耗影响占结果30%。

图5　开沟的阻力

表5　开沟测试结果表

经过加权分析可知：4号开沟器水平阻力和能耗相对较小，为最佳设计方案，同时验证了仿真结果的准确性。

4.2　土壤颗粒运动情况测

由于土壤颜色较深，不便于观察底层土壤的变化。因此，在表层土壤上平铺了带有颜色的化肥，以便高速摄像机记录开沟过程[13-15]。如图6所示：当开沟器较窄时，开沟器回土较为迅速，但容易造成沟底不平。

(a) 　　　　　　　　　 (b)

(c)　　　　　　　　　 (d)

当宽度、入土角和斜面角较大时，开沟时易造成起土过高，使表层土壤回落在种沟内，不利于开沟。如图7所示：当开沟器较宽时，沟底较为平整，但回土性能较差。

(a) 　　　　　　　　　　(b)

(c)　　　　 　　　　　　(d)

试验与仿真对比表明，两者具有较好的相关性，阻力呈现的规律是一致的。产生的偏差的主要原因：一是土壤模型较为复杂，一些参数仅能凭经验设置；二是由于使用大量化肥导致土槽中的土壤板结，与大田实际作业的土壤存在差距。

5结论

通过研究芯铧式开沟器的宽度、入土角、斜面角等主要因素并采用均匀设计的试验方法，设计出了一系列新型的开沟器。利用离散元法建立耕层土壤模型，模拟开沟器的工作过程，并借助于玻璃土槽试验台和高速摄像技术对离散元仿真模型进行了验证。同时，通过对开沟器的仿真分析与台架实验，得到一组适合吉林省中部地区使用的芯铧式开沟器设计方案。

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践[M].西安：西北工业大学出版社，2010.

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[13]张杰,赵春花.小型山地苜蓿播种机开沟器的设计与试验[J].农业机械,2013(10)：148-150.

[14]郭文洋.精密播种机开沟器的设计与试验研究[J].农机化研究,2014, 36 (7) ：160-163.

[15]马文海,马圣胜.仿生波纹形开沟器减黏降阻性能测试与分析[J].农业工程学报,2014(5)：36-39.

The Design of Furrow Opener Based on Discrete Element Method

Pan Shiqiang，Cao Zifu，Yang Yulin，Zhao Wanning

(Engineering and Technology College, Jilin Agricultural University, Changchun 130118,China)

Abstract：Traditional type furrow opener is widely used in the Northeast ridge area, but the width of the ditch, and soil resistance restrict the use it. In this paper, the structural characteristics of core ploughshare type furrow openers, determine the width of opener D, penetrating angle alpha, bevel angle beta, operating speed V, water rate P for the factors affecting the performance of, with the SolidWorks software established a series of different parameters of core ploughshare type furrow opener model. Through the study on soil physical properties and mechanical properties, using edem to simulation and analysis of the designed a series of core ploughshare type furrow opener and opener ditching resistance is relatively small, its argument is: penetrating angle of 50 degrees, slope angle of 55 degrees, width is 50mm. In the indoor soil tank, testing the performance of furrow opener. The results show that the simulation and test data have a certain correlation, and the law is basically consistent, and verify the correctness of the simulation model parameters.

Key words：furrow； opener discrete； element method

中图分类号：S222.5+2

文献标识码：A

文章编号：1003-188X(2016)09-0023-05

作者简介：潘世强(1975-)，男，吉林抚松人，副教授，硕士生导师，博士，(E-mail)shiqiangpan@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(51175219)

收稿日期：2015-09-01